光纤智能螺栓在汽车螺栓预紧力试验中的应用——沈阳智航智能系统有限公司

2018-06-07 13:17:30· 来源：沈阳智航智能系统有限公司

汽车螺栓预紧可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性。大量的试验和使用经验证明：较高的预紧力对车辆连接部位的可靠性和被连接部位的寿命都是有益的，特别对有密封要求的连接更为必要。当然，过高的预紧力，如若控制不当或者偶然过载，也常会导致连接的失效，从而造成汽车安全事故。因此，精准确定螺栓的预紧力是非常重要的。

对于螺栓预紧力，目前工程实践中，大多通过扭矩—转角法进行控制，需要获得螺栓的扭矩—转角—预紧力关系曲线，其中预紧力的准确测量尤为关键。（受螺纹摩擦力、螺栓头部摩擦力、夹层应力释放等因素影响，扭矩转换为预紧力的分散性较大，当然最好的方法是对每个螺栓的预紧力进行现场检测，但受技术和成本限制，暂难以规模化应用）。而在汽车试验领域，目前通常的方式是采用超声波技术验证螺栓的预紧力，但仍存在一些局限，例如螺栓夹持长度过短，空心螺栓无法测量，温度变化对测量精度的影响，以及耐久性试验中使用不便等问题。

利用光纤光栅精准测量螺栓的预紧力，拉力，剪切力的技术早在2011年沈阳飞机设计研究所就用于国内多个型号军机的结构强度试验中，该技术直到2017年才作为军转民的技术投入到民用市场中，目前与沈阳智航智能系统有限公司合作研发的光纤智能螺栓就是应用该技术面向民用市场推出的第一代高科技产品。

光纤智能螺栓对于螺栓的预紧力检测效果及验证温度对预紧力的影响我们通过大量的试验得以证明。
检测步骤：

1)针对硬连接螺栓，通过测量螺栓拧紧扭矩、转角以及轴力之间的关系曲线，得出光纤智能螺栓对预紧力的直接检测效果；
2) 在恒定预紧力下，通过改变环境温度，分别测量不带温度和带温度补偿功能的智能螺栓预紧力随温度变化曲线，得出光纤智能螺栓的温度补偿误差水平。
试验件为国标8.8级M10螺栓及配套螺栓，采用硬连接，在螺母一侧安装垫圈，螺栓固定，扭矩施加在螺母上，分别针对螺纹无润滑和有润滑两种状态进行试验，加载工具为量程200Nm(±3%)扭矩扳手。

图2a

从图2a所示转角—扭矩曲线图得出，基于扭矩转角方法的测量分散性较大、重复性较差，特别是在有无润滑条件下差异明显，表明摩擦力、测量次数对扭矩损耗的影响巨大，符合实践经验和工程预期；

图2b

从图2b所示转角—轴力曲线图得出，转角与预紧轴力之间严格相关，受摩擦力影响较小，测量分散性小、重复性好。事实上，在螺栓开始预紧后的弹性范围内，转角与螺杆伸长量应是线性相关的（近似的伸长量＝螺距×转角/360），因此，转角与预紧轴力严格相关是符合工程预期的，表明智能螺栓对预紧轴力的检测结果是真实可靠的；

图2c

在以上结论的基础上，从图2c所示扭矩—轴力曲线图进一步得出，通过扭矩检测螺栓预紧轴力是不可靠的；智能螺栓能够准确测量螺栓预紧力，可用于螺栓紧固扭矩、转角以及轴力曲线的试验测试。

说明
1) 过屈服问题

在图2b、2c有润滑条件第多次测量结果中，螺栓拧紧到了过屈服状态，屈服拐点处的轴力约为34KN，M10螺栓的有效应力面积为(58-1.6)mm2(其中1.6为开孔损失)，8.8级螺栓的屈服强度约为640Mpa，当量屈服轴力约为36KN，智能螺栓的轴力测量结果是准确的。需要说明的是，M10螺栓有效应力面积实际上应该位于螺纹收尾根部，对于半螺纹螺栓，其光杆部位的面积应为75 mm2，则36KN屈服载荷下，光杆部位的应力约为480MPa，对于钢制螺栓，弹性模量取210Gpa，对应的屈服应变约为2300με,而智能螺栓所用的光纤传感器有效量程为±(3000～5000)με，能够满足过屈服状态的测量要求。
即使对于10.9级螺栓，考虑极限全螺纹情况，屈服应变约4200με，光纤智能螺栓也能满足过屈服状态的测量要求。因此，智能螺栓用于过屈服螺栓的预紧力测量也是有效的。

2) 温度问题

智能螺栓内部同时集成了载荷和温度传感器，具有温度自补偿功能，通过软件设置，可以消除环境温度对载荷检测精度的影响。图3给出了环境温度变化+10度条件下，开启温度补偿功能前后，智能螺栓的载荷检测精度对比结果：

1) 开启温度补偿功能后，载荷检测误差的波动范围为±1.7%；
2) 关闭温度补偿功能后，载荷检测误差的波动范围为±11.1%；
3) 光纤智能螺栓的温度自补偿功能能够有效解决环境温度对测量结果的影响。
光纤智能螺栓是利用光栅技术与螺栓的结合对螺栓载荷进行精准监测的高科技产品，其光纤光栅传感部件直接深入螺栓内部，紧密固定，对螺栓夹持过短情况,空心螺栓以及在车辆耐久性试验中都可精确测量，其测量精度高，性价比高，抗腐蚀，抗电磁干扰等的特点可满足于汽车行业对螺栓的预紧力以及拉伸，剪切载荷的测量及长期监测的需求。

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